Особенности прогноза и профилактики горных ударов на Расвумчоррском руднике ОАО Апатит. Особенности прогноза и профилактики горных ударов на Расвумчоррском руднике "оао апатит" Введение горный геологический месторождение
 Скачать 7.11 Mb.
|
|
3. Профилактические мероприятия по предупреждению горных ударов на Расвумчоррском руднике ОАО «Апатит» В связи с высокой востребованностью оценки геомеханического состояния массива с целью борьбы с проявлениями горного давления на горнодобывающих предприятиях, создано множество различных методик и способов, которые оценивают различные стороны геомеханических процессов. На подземных рудниках ОАО «Апатит» утверждены и применяются следующие методики геомеханической оценки массива, которые относятся к региональному и локальному прогнозам удароопасности. Региональный прогноз удароопасности производится с целью выделения зон потенциальной удароопасности и категории состояния выработок в пределах шахтного поля, горизонта или отрабатываемого блока и выполняется с помощью следующих методов: аналитическое (численное) моделирование напряженного состояния (экспертная система); визуальное обследование горных выработок; экспертная оценка состояния массива и отдельных участков выработки; прогноз региональной удароопасности по результатам непрерывного контроля сейсмичности массива горных пород; геодинамическое и геомеханическое районирование; наблюдения по сетям локальных станций контроля удароопасности. Локальный прогноз выполняется в приконтурной части отдельных выработок и целиков по данным, полученным на замерных станциях, с целью определения непосредственной опасности проявления горного удара. Локальный прогноз проводится инструментальными методами, среди которых для условий Хибинских апатитовых рудников рекомендованы следующие: дискования керна (МДК); контроля разрушения стенок скважин замерных станций (КРС); ультразвукового метода (УЗМ); прогноз по опережающей скважине (ПОС)[1]. При обосновании выбора технологии отработки новых горизонтов или блоков важной задачей является проведение оценки геомеханического состояния рассматриваемого массива. Для выполнения этой задачи необходимо оценить возможности существующих методик. Рассмотрим некоторые из них: 3.1 Локальные методы противоударных мероприятий Устойчивое состояние массива и отдельных выработок определяется физическими свойствами и структурой слагающих месторождение горных пород и величиной действующих напряжений. Исходя из классификации руд и пород по прочности (табл. 1.3.1) и интенсивности трещиноватости (табл. 1.4.1), оценивается устойчивость приконтурной части массива (таблица 3.1.1) Таблица 3.1.1 Классификация пород и руд апатито-нефелиновых месторождений по устойчивости
На основании оценки устойчивости и наличия на контуре выработки внешних признаков удароопасности определяется категория состояния данной выработки (табл. 1.5.2). Из них категория состояния «Д» определяется по результатам экспертной оценки, а категория удароопасности «Опасно» - по результатам локального прогноза инструментальными методами. Для локального прогноза удароопасности утвержденными методами необходимо бурение контрольных шпуров и скважин (замерных станций). В зависимости от состояния приконтурной части массива могут применяться следующие схемы заложения замерных станций: Если контур разрушается равномерно, используется схема скважин, обуренных через 22,5º (рис. 3.1.2 а). Когда на контуре отмечается явно выраженное куполение, рекомендуется схема с тремя скважинами (рис. 3.1.2 б). Порядок бурения следующий: вначале бурится скважина в зону максимальных разрушений, а затем смежные, заложенные под углом 22,5ºпо отношению к первой.  Рисунок 3.1.2 Типовые схемы замерной станции для определения категории удароопасности выработки: при равномерном разрушении контура выработки (а); при хорошо выраженном месте максимального разрушения контура (б) Из рисунка видно, что 3/1(90) – обозначение скважины: 3 – номер скважины; 1 – номер станции; 90º - угол наклона скважины. В случае установления категории «Опасно» в двух смежных скважинах, категория «Опасно» считается определенной для всей замерной станции и соответствующего участка выработки, дополнительные скважины не бурят, если это не требуется для уточнения контура удароопасной зоны[1]. Одним из методов локальных противоударных мероприятий является контроль за разрушением этих скважин (замерных станций), а сокращенно КРС. Он базируется на эффекте разрушения стенок скважин в зонах высокой концентрации напряжений около горных выработок или в массиве пород. От встречающегося разрушения скважин в зонах повышенной трещиноватости указанный эффект отличается тем, что разрушение захватывает не весь контур равномерно, а имеет ярко выраженные максимумы в двух диаметрально противоположных стенках. Для пород Хибинских месторождений, включая месторождение «Апатитовый Цирк», установлено, что разрушение стенок скважин начинается при условии превышения максимальными нормальными напряжениями предела прочности на одноосное сжатие  .Контроль разрушения стенок скважин с целью оценки удароопасности осуществляется измерениями на стандартной станции (рис. 3.1.2). Измерения производятся по шпурам и скважинам любого диаметра. Эти измерения производятся с помощью специального малогабаритного измерительного комплекса КРС (рис. 3.1.3):  Рисунок 3.1.3 Измерительный комплекс КРС В состав измерительного комплекса КРС входят: профилемер, цифровой измерительный прибор, набор досылочных штанг. После проведения измерений можно по специальной номограмме (рис. 3.1.4) непосредственно в выработке оценить категорию удароопасности[8]. Для каждой скважины с целью определения категории удароопасности, откладывают по оси ординат величину U1, равную отношению длины дорожки разрушения Lдор к диаметру выработки Dвыр, а по оси абсцисс величину U2 отношения максимума разрушения Xmax за вычетом приконтурной зоны разрушенных пород Xp к Dвыр. Точки начала и конца «дорожки» определяются для Расвумчоррского рудника по следующим пороговым значениям отношения глубины дорожки к диаметру скважины Dc: для вмещающих пород и руд с содержанием апатита до 45%  ; для руд с содержанием апатита больше 45% .Также категорию удароопасности можно определить расчетным путем: категория «Опасно» при выполнении условия:  .категория «Неопасно» при:  . Рисунок 3.1.4 Номограмма для определения категории удароопасности по разрушению скважин При интенсивных проявлениях внешних признаков удароопасности в районе замерной станции и невозможности безопасного проведения инструментальной оценки допускается применение визуальной оценки протяженности дорожки и расположения максимума разрушения для определения категории удароопасности. Повторные измерения методами КРС по одним и тем же скважинам могут быть применены в случаях увеличения напряжений при ведении горных работ[1]. Данный метод локальных мероприятий прогноза разрушений горных выработок является наиболее простым и реально используемым в службах ППГУ рудников ОАО «Апатит», однако тяжело применим при интенсивных проявлениях внешних признаков удароопасности, а именно в выработках, отнесенным к категориям состояний «Г» и «Д». 3.2 Региональные методы противоударных мероприятий Основной задачей регионального прогноза удароопасности является выявление зон повышенной потенциальной опасности разрушения массива для своевременного вывода людей и оборудования. Региональный прогноз включает установление или прогноз категории состояния выработок и участков массива, определяемой совместно устойчивостью пород и напряженным состоянием приконтурной зоны выработок и целиков. Категории состояния выработок характеризуют напряженное состояние приконтурного массива и возможные формы проявлений горного давления. Рассмотрим методы региональных противоударных мероприятий[7], [9]: 3.2.1 Методика визуального осмотра горных выработок Приближенная оценка величины напряжений в пределах обследуемого участка может быть получена на основе анализа трещиноватости массива, внешних признаков удароопасности и других разрушений, возникающих на контуре выработок или скважин, а направление действия этих напряжений устанавливается по расположению зоны максимальных напряжений. Важным преимуществом данного способа является то, что он не требует использования сложного оборудования, и позволяет в короткий срок провести анализ состояния массива на большой площади, в пределах которого имеются горные выработки. При охвате наблюдениями больших участков массива, получаемая информация обладает достаточно высокой надежностью и представительностью, поэтому визуальное обследование является одним из экспрессных методов регионального прогноза[1]. В целом, визуальный осмотр информативен, а при интерполяции базового материала дает возможность прогнозировать поведение, как самого массива, так и его приконтурной части в процессе продвижения отбойки или при проходке выработок вне зоны влияния очистных работ. Фотосъемка, сопровождающая визуальное обследование, позволяет оценивать происходящие изменения, намечать места заложения замерных станций, разгрузочных строчек, разрабатывать мероприятия по созданию безопасных условий эксплуатации. Недостатком данного метода является субъективность визуальной оценки. Это проявляется в индивидуальной интерпретации понятий проявления горного давления, например, динамическое заколообразование или интенсивное заколообразование не определяются конкретными величинами, следовательно, применять одно и то же понятие можно при различных вариантах состояния выработки. Определение категории состояния выработок во многом зависит от временного периода осмотра. Так, например, до бурения разгрузочных скважин и торкретирования выработка имела состояние категории «Г», после разгрузки – категорию «В», а после разгрузки и торкретирования – «А», следовательно, результатом визуального осмотра будет состояние выработки только на рассматриваемый момент времени, что не отражает в полной мере динамику изменения НДС массива. Также сложно оценивать изменение состояния выработки в зависимости от состояния покрывающих пород за длительный период времени (5-10 лет). Эти сложности возникают по причине того, что данные визуального осмотра не отражают горно-тектоническую ситуацию в массиве на момент наблюдения[7], [9]. 3.2.2 Методика прогноза региональной удароопасности по результатам непрерывного контроля сейсмичности Контроль над сейсмическими событиями, происходящими на рудниках ОАО «Апатит» осуществляет центр геофизического мониторинга (ЦГМ). В ЦГМ используется два вида анализа сейсмичности: Долгосрочный анализ, направленный на выявление устойчивых зон повышенной сейсмоактивности массива для планирования горных работ, профилактических и противоударных мероприятий; Региональный прогноз с целью выявления зон повышенной региональной удароопасности, иногда краткосрочных, для обеспечения безопасности текущих горных работ. Данные сейсмической активности необходимы для проведения геомеханической оценки массива, т.к. сейсмические события являются фактическим проявлением изменения НДС. При выделении устойчивых зон повышенной сейсмоактивности входными параметрами являются: время, координаты и энергия сейсмических событий, отражающих процессы трещинообразования в контролируемом участке массива пород. Выделение зон повышенной сейсмоактивности производится за длительный период (2-48 месяцев), причем среднее длительное должно превышать временной интервал карт не менее чем в 3 раза. Среднедлительный параметр сейсмичности Sср – суммарная длина трещин, отнесенная к объему зоны регистрации и длительности:  где E – энергия события (Дж); Vз – объем зоны регистрации (км3); Тд – временной интервал для оценки среднего длительного (сутки). Перемещая окно высотой, равной высоте этажа и со стороной по горизонтали 50м с шагом 50м, в пределах исследуемой зоны для каждого положения рассчитываются значения S. Карты устойчивых зон повышенной сейсмичности зон строятся в изолиниях, причем изолиниями оконтуриваются районы, удовлетворяющие условиям: Нижний: среднее длительное + стандартное отклонение * К1 Верхний: среднее длительное + стандартное отклонение * К2 При значениях К1 = 1, К2 = 3 по закону нормального распределения изолиния нижнего уровня оконтуривает зону повышенной сейсмоактивности с вероятностью 0.7, верхнего уровня с вероятностью 0.9[9]. Недостатками методики ЦГМ являются отсутствие возможности определить: природу очага и механизм сейсмического события; оценить динамику изменения сейсмичности во времени (стабильная, растущая, затухающая); оценить влияние интенсивности горных работ на макроскопическую устойчивость пород; идентифицировать сейсмически активные геологические структуры; выявить изменения подвижности границ блоковых структур по мере приближения к ним фронта очистных работ. Для обеспечения более точной и полной информации о сейсмической активности, действующей на подэтаже, целесообразно выделять сейсмические события, которые произошли в пределах рассматриваемой области. Поэтому для расчета устойчивых зон интервал окна на высоту этажа, используемый в методике, слишком велик и не подходит для оценки распределения сейсмической активности. В следствие этого построение карт устойчивых зон повышенной сейсмоактивности в данной работе принято проводить следующим способом: для каждого подэтажа рассматриваются сейсмические события за год с Е >103 Дж, окно для расчета значения S принимаются со следующими параметрами сторон: по горизонтали – 50м, по вертикали – 25м (от подэтажа отступается по 12,5м вверх и вниз по вертикали). Это позволит более точно оценивать распределение сейсмической активности на подэтаже[7], [9]. 3.2.3 Методика математического моделирования в экспертной системе SIGMA 3D Экспертная система SIGMA 3D разработана Горным Институтом КНЦ РАН под руководством доктора технических наук, профессора Козырева А.А. для оценки геомеханической ситуации в районе ведения горных работ. Математическое моделирование среды в этой системе основано на методе конечных элементов. Расчетные области представляют собой параллелепипеды, боковые грани которых ориентированы перпендикулярно действующим в массиве горизонтальным главным напряжениям. Нагружение модели осуществляется собственным весом пород и приложенными к взаимно перпендикулярным граням тектоническими силами. В основе расчетов заложены основные свойства руд и пород, слагающих рассматриваемый массив, а также граничные условия в виде действующих напряжений. Результатами моделирования являются обоснование и выбор наиболее рационального порядка развития работ с точки зрения минимизации возможных проявлений горного давления. Экспертная система позволяет исключить субъективный фактор при интерполяции имеющихся данных, дает качественный и количественный мониторинг геодинамической ситуации при изменении границ отбойки. Метод находится в стадии освоения, особенно в условиях Расвумчоррского рудника, где массив в значительной степени изрезан разломами, влияние которых еще слабо изучено. Настоящее применение экспертной системы требует дальнейшей доработки путем сопоставительного анализа, в том числе и с результатами визуального обследования, а значит, сохраняется необходимость авторского сопровождения со стороны специалистов ГОИ КНЦ РАН[8]. 3.3 Пути совершенствования противоударной профилактики Предварительная оценка и прогнозирование условий возникновения горных ударов имеет большое значение для создания безопасных условий труда и разработки профилактических мероприятий по предупреждению (или снижению) опасности их проявлений. Работы по прогнозированию горных ударов должны проводиться как на стадиях разведки и инженерно-геологических изысканий, так и в периоды строительства рудника и эксплуатации месторождения[10]. Многолетние неудачные попытки поиска прогностических признаков землетрясений и горных ударов показали исключительную сложность такой задачи и необходимость комплексного применения всех возможных геофизических методов, позволяющих вовремя зарегистрировать изменения параметров горного массива, наблюдаемых в течение длительного календарного времени. Сложность подобных измерительных информационных систем состоит в разномасштабности одновременно измеряемых величин. Наиболее перспективен подход, основанный на создании модели строения и поведения массива горных пород при отработке месторождений, позволяющей комплексировать результаты, полученные несколькими методами и выдающей увязанную во времени информацию, обработка которой поддается автоматизации. Комплексная модель должна иметь в своей структуре рассмотренные в данной работе методики геомеханической оценки, которые необходимо усовершенствовать согласно следующим рекомендациям: для экспертной системы нужно расширить расчетные границы блока, учитывать тектонические нарушения и блочную структуру массива; для методики визуального осмотра необходимо учитывать состояние выработок в различные временные периоды и унифицировать критерии оценки; для методики регионального прогноза удароопасности на основе регистрации сейсмичности нужно получить возможность выделять необходимые пространственные области распространения сейсмической активности, а также оценивать природу очага и механизм сейсмического события, динамику изменения сейсмичности во времени, влияние интенсивности горных работ на макроскопическую устойчивость пород, идентифицировать сейсмически активные геологические структуры и выявлять изменения подвижности границ блоковых структур по мере приближения к ним фронта очистных работ[1], [7], [9]. Заключение Оценив возможности следующих методик, можно сделать вывод, что каждая методика отражает разные стороны геомеханического процесса. Следовательно, включая мою субъективную оценку, для получения более полной и достоверной информации стоит объединить все три варианта в комплексную методику оценки, при этом основным методом можно принять экспертную систему Sigma 3D, как математический предпроектный расчет, а сейсмический мониторинг и данные визуального осмотра использовать как дополнительные методики, данные которых в процессе эксплуатации блока будут уточнять локальные области изменения НДС и позволят вносить изменения в проектные решения с целью улучшения условий отработки блоков. Список литературы 1.Указания по безопасному ведению горных работ на месторождениях, склонных и опасных по горным ударам (Хибинские апатито-нефелиновые месторождения) (Открытое акционерное общество «Апатит») / Коллектив авторов // Горный институт КНЦ РАН; ОАО «Апатит» - Апатиты, 2010, 117с. 2.Тряпицин В.М., Шабаров А.Н. Современная тектоника и геодинамика Хибин. - Кострома, 2007, 146с. 3.Свинин В.С. Геомеханическое обоснование технологии и систем контроля массива пород при отработке стыковочных зон подземным и открытым способами // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. – Апатиты, 2003, 27с. 4.Рыбин В.В. Профилактика горных ударов при отработке запасов переходной зоны между Расвумчоррским и Центральным рудниками в удароопасных условиях // Геомеханика при ведении горных работ в высоконапряженных массивах. – Апатиты, 1998, с.227-236. 5.Зилеев А.Г. Регламент на проектирование отработки запасов месторождения Апатитовый Цирк и подкарьерной части месторождения Плато Расвумчорр Расвумчоррским рудником до горизонта +310м. – Санкт-Петербург, 2010, 200с. 6.План развития горных работ Расвумчоррского рудника на 2013 год / Коллектив авторов // ОАО «Апатит» - Кировск, 2012, 137с. 7.Указания по управлению обрушением покрывающих пород, охране сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных разработок на рудниках ОАО «Апатит» / Коллектив авторов // Горный институт КНЦ РАН – Апатиты, 2002, 51с. 8.Панин В.И. Исследование закономерностей перераспределения полей напряжений при отработке глубоких горизонтов подземных рудников ОАО «Апатит» и разработка экспертных систем выбора технических решений по повышению безопасности и эффективности горных работ // Заключительный отчет по договору №26107. – Горный институт КНЦ РАН – Апатиты, 2012, 30с. 9.Руководство по региональному прогнозу удароопасности на основе непрерывной регистрации сейсмичности в условиях Объединенного Кировского рудника / Коллектив авторов // ОАО «Апатит» - Кировск, 2007, 33с. 10.Галаев Н.З. Управление состоянием массива горных пород при подземной разработке рудных месторождений. – М: Недра, 1990, 176с. ено н |